IDROLOGIA SUPERFICIALE

Analizziamo i diversi processi che caratterizzano nel ciclo.

Intercettazione- Esaminare il ciclo dell’acqua a partire dalla preci-

pitazione, essa è in primo luogo intercettata da diverse tipi di superfici, da cui può essere trattenuta o rilasciata ad uno strato sottostante. Le superfici intercettanti, sia litologiche che vegetali, artificiali o naturali, sono caratterizzate da una permeabilità, una pendenza, una rugosità ed altri caratteri fisici che determineranno la capacità di trattenerne una parte piuttosto che lasciarla defluire seguendo la conformazione della superficie. Il fenomeno dell’intercettazione è assai complesso dovuto alla stratificazione di molte coperture (si pensi ad un bosco) ed ha un carattere dinamico: l’intercettazione raggiunge un limite oltre il quale la copertura si satura.

Infiltrazione- Tale processo identifica la penetrazione alla super-

ficie di un terreno inizialmente insaturo o di una superficie porosa in generale. L’infiltrazione determina nel suolo un fronte di avanzamen- to, cioè di una zona di passaggio tra il terreno alle condizioni iniziali (tipicamente più asciutto) alle nuove e più umide condizioni a partire dalla superficie. Sono le condizioni di umidità iniziali a determinare la velocità di infiltrazione. Nell’attività irrigua l’acqua è distribuita sulla superficie del terreno secondo diverse modalità: mentre nella aspersio- ne e nell’irrigazione per sommersione possiamo pensare ad una infil- trazione pressoché 1-dimensionale, nell’irrigazione per scorrimento o in quella a goccia l’aggiunta d’acqua avviene in modo concentrato su una parte della superficie del terreno. Il fronte d’avanzamento avrà al- lora una forma di lobo più o meno allungato a seconda se prevale la gravità (terreni sabbiosi) o la ritenzione (terreni argillosi).

Exfiltrazione- In presenza di pendenza ai moti verticali si associa-

no flussi sotto-superficiali che possono portare a locali saturazioni in corrispondenza della superficie del terreno con conseguenti fuoriuscire dalla superficie: queste zone possono essere associate a risorgive vere e proprie.

Ridistribuzione - L’acqua si ridistribuisce all’interno del terreno secondo una legge che pone in relazione la portata alla differenza di

potenziale idrico3totale in punti diversi e alla conducibilità idrica K,

variabile che dipende dal tipo e condizioni del suolo e dalla quanti- tà d’acqua θ presente. Considerando che questi fattori possono va- riare in modo consistente nell’arco dell’anno e in seguito all’interven- to dell’uomo (es.lavorazioni, calpestamento, allagamento), il proces- so di redistribuzione è soggetto ad estrema variabilità sia spaziale che temporale.

Drenaggio & percolazione- Si tratta di processi che portano alla

fuoriuscita di acqua da uno strato di terreno saturo verso la falda; nel caso del drenaggio il passaggio avviene da uno strato saturo del terreno ad uno strato saturo di tipo diverso (es. falda in strato ghiaioso) mentre la percolazione il passaggio avviene da uno strato di terreno saturo ad uno insaturo (es. strato ghiaioso insaturo).

Risalita capillare - Si tratta del processo attraverso cui l’acqua è

richiamata verso l’alto da un terreno da uno strato saturo (falda) imme- diatamente sottostante.

Evaporazione - Il processo, già introdotto in precedenza, è quel-

lo che porta l’acqua nell’atmosfera, ed induce un richiamo verso l’alto dell’acqua presente nella profondità del terreno accoppiato ad una ridi- stribuzione dell’acqua al suo interno per uno spessore anche di parec- chi centimetri. L’evaporazione, come su detto implica una cessione di energia per cui può portare anche ad una diminuzione della tempera- tura del suolo.

L’evaporazione dell’acqua dal terreno, solitamente assunto alla superficie, coinvolge in realtà uno spessore di diversi centimetri portando ad un raffreddamento dell’intero stra- to di terreno. È stato inoltre osservato che tale processo si svolge in due stadi distinti, uno abbastanza rapido guidato dal deficit di tensione di vapore (domanda evaporativa dell’atmosfera) ed uno, più lento, diretto dalla conducibilità gassosa della matrice del terreno.

Nelle superfici vegetate il processo prende il nome di evapotraspirazio- ne (vedi avanti) e prevede l’asportazione di acqua dal terreno da par- te delle radici delle piante, asportazione che determina zone di asciu- gamento verso cui l’acqua torna a fluire da zone più umide grazie al proceesso di ridistribuzione.

3.3. IDROLOGIA SUPERFICIALE 65

Cambio climatico e ciclo dell’acqua- Recentemente l’innalzamento medio delle tempe-

rature ha portato al discioglimento di consistenti masse di ghiaccio (polari e permafrost) e quindi ad un aumento della massa d’acqua coinvolta nel ciclo. Ne ha conseguito un ine- vitabile aumento dei flussi a scala globale, ma anche maggiori fluttuazioni a scala locale con più lunghi periodi di siccità ed eventi piovosi più intensi, con conseguente intensi- ficazione di fenomeni idrologici dannosi per l’uomo (erosioni, frane) e riduzione della superficie coltivabile (perdita di suolo, desertificazione).

3.3.1. Il Bilancio Idrico. Il bilancio idrico è un’espressione che va-

luta le variazioni di acqua presente in un determinato suolo a partire dagli apporti (source) e dalle perdite (sink). Il computo è utilizzato per monitorare lo stato della riserva idrica di un certo sistema e può essere applicato tanto ad uno strato di suolo che ad un intero bacino idrografico. Esso è esprimibile nella forma:

Prc+Irr+Ris−Dre−Rn f−ETe =∆H

dove con∆H intendiamo la variazione del contenuto idrico di uno strato di suolo predefinito (in mm) nel periodo considerato, durante il quale sono avvenute:

Prc - precipitazione al netto delle perdite per evaporazione dalla vege- tazione intercettante

Irr - irrigazioni artificiali e al netto dell’efficienza della tecnologia di distribuzione utilizzata

Ris - apporti per risalita capillare da falda; Dre -perdite per drenaggio;

Rn f - perdite per ruscellamento superficiale ETe- perdite per evapotraspirazione

Nei bacini irrigui il bilancio può prevedere afflussi e perdite da canali e scoline appartenenti al sistema di distribuzione.

3.3.2. Ruscellamento e deflusso superficiale. Quando la capacità

di infiltrazione di una superficie è inferiore all’intensità dell’afflusso meteorico, l’eccesso prende a scorrere in superficie seguendo le pen- denze e determinando infine la formazione dei corsi d’acqua. Nella attitudine al ruscellamento la copertura del terreno è fondamentale: è essa la prima ad intercettare le precipitazioni ed attenuare l’energia del- l’impatto. Inoltre l’ombreggiamento che offre al sole impedisce quel- l’essiccamento rapido che facilita la formazione di croste. Uso del suolo e copertura (stagionale) sono quindi fondamentali nelle dinamiche del ruscellamento. Al ruscellamento sono collegati seri problemi di qualità

delle acque e di regimazione associati a problemi ordine civile e sociale classificati tra le catastrofi naturali più frequenti.

Il deflusso è ciò che osserviamo a valle di un bacino idrologico che riassume nel tempo tutti i singoli processi di ruscellamento localizzati, e che si riuniscono assieme in un corso d’acqua in termini di una portata. In figura è riportato un insieme di registrazioni in cui, a fianco della pioggia è riportato il deflusso come portata di un corso d’acqua che raccoglie tutta l’acqua captata da ogni tipo di superficie, unite a quelle fuoriuscite dei flussi ipodermici ed essere infine raccolte da un reticolo idrografico. Nella figura sotto sono è riportato l’andamento di piogge e deflusso misurate in corrispondenza di un evento.

3.3.3. Erosione. L’erosione è dal punto di vista geologico un len-

to sgretolamento del terreno o di rocce prodotto dagli agenti atmosfe- rici, quali temperatura, vento (erosione eolica), fiumi (erosione fluvia- le), mare (erosione marina o abrasione), ghiaccio (erosione glaciale o esarazione), pioggia.

L’erosione è un fenomeno profondamente legato al ruscellamento e determina un trasporto di materiale solido in sospensione compresi nutrienti che di per se sono poco mobili (es. fosforo).

L’erosione è un processo naturale che ha luogo in tutti gli ecosistemi terrestri, ma che è accelerato dalle attività antropiche.

In tale processo si possono distinguere le seguenti fasi:

• Splash - Collegato al fenomeno dell’intercettazione descritto sopra, si tratta del processo associato all’impatto della goc- cia di pioggia sul terreno, che vede il distacco delle particel- le o granulo di materiale dal substrato ed il trasporto vero e proprio; è la ragione scatenante dell’erosione e determina l’e- nergia che si libera sull’evento e determina il distacco delle particelle;

3.3. IDROLOGIA SUPERFICIALE 67

• Micro-ponding - fase di saturazione delle micro-asperità su- perficiali associate ad un afflusso superiore alla velocità di in- filtrazione, connessa alla micro-morfologia, rugosità del terre- no, presenza di vegetazione.

• Sheet - è quella associata al ruscellamento inteso come scor- rimento laminare; solitamente sottovalutata, questa tipologia di erosione primaria è invece ragione di ampie perdite; essa si mantiene solitamente solo per pochi metri, prima che il flusso si concentri in canaletti (rills); essa non determina ulteriore di- stacco di particelle, ma solo trasporto di queste, solitamente le più fini e naturalmente dei relativi materiali adsorbiti;

• Rill - riguarda la formazione di tracce superficiali e canalet- ti, di dimensione via via crescente e con portate e velocità di flusso crescenti; a questo tipo di erosione sono particolarmen- te proni ii sistemi di coltura a file; tale flusso è così intenso da determinare esso stesso un incremento di particelle distaccate systems.

• Gully - è lo stadio successivo, quello associato alla formazio- ne di ampie scanalature, quelle con oltre 30cm di profondità e associate a perdite di suolo di entità elevata (zone calanchive); l’acqua, scorrendo sia sulla superficie che nei tagli interni (rills) provoca continui rimodellamenti, erosioni e smottamenti della parete collinare sottoposta a tale processo;

• Tunnel - è una forma di erosione causata da flussi idrici di am- pia portata nel sottosuolo di terreni sciolti dove il flusso de- termina appunto lo scavo di vere proprie gallerie; il fenome- no è ben noto ai geologi in quanto responsabile anche della creazione di vere e proprie grotte.

Il rischio idrogeologicoè un concetto legato all’interazione tra il fattore acqua (idro: piog-

gia e corsi d’acqua) ed il terreno che la ospita (geo: suolo, roccia, detriti), ed è legato alla probabilità del verificarsi di eventi naturali come frane e valanghe. Se l’acqua può già da sola essere pericolosa per l’uomo, lo è ancor di più quando diventa agente di traspor- to, trascinando roccia e fango, erodendo il suolo e determinando il cedimento di edifici, ponti e altre infrastrutture.

3.3.4. Il Trasporto di agenti inquinanti. Recentemente l’agricol-

tura è stata spinta a vedere il terreno non solo come fattore produtti- vo, ma anche in riferimento a problematiche ambientali e sociali, quali l’inquinamento delle risorse idriche e la conservazione del suolo.

Con lisciviazione si intende il trasportodi sostanze disciolte e so- spese nella soluzione circolante (inquinanti, nutrienti, particelle di va- rio tipo) da parte dell’acqua, sia in corrispondenza di eventi meteorici

che irrigazioni, verso strati più profondi e l’acquifero. Con dilavamen- to si intende invece un fenomeno analogo ma che interessa le acque superficiali attraverso il ruscellamento.

Qualunque sostanza presente in un mezzo fluido si muove seguen- do due leggi fondamentali, una che rappresenta il trasporto puro o ad-

vezione (si pensi a come è trasportata dalla corrente una foglia sulla

superficie di un fiume), ed una che invece la disperde nello spazio (si pensi ad una goccia di vino rosso in un bicchiere d’acqua).

Molti soluti interagiscono con il terreno attraverso l’instaurazione di legami ed affinità di tipo chimico. Questo fenomeno, detto adsor-

bimento, determina due effetti importanti: un ritardo di propagazione

del prodotto nella direzione del flusso e immobilizzazione di una parte del prodotto, solitamente in superficie.

Maggiore è l’adsorbimento, minore è la velocità con cui un prodotto è lisciviato, maggiore è il tempo per il quale può essere assimilato dalle radici e dagli organismi superficiali ed essere metabolizzato, minore è la velocità con cui giunge in falda ad elevate concentrazioni (in cui il metabolismo è ridotto da una minor presenza di organismi) divenendo potenzialmente inquinante per le acque dolci di uso civile.

3.4. Esercizi

Quesito- Cos’è l’evaporazione ?

Quesito- Cos’è e quanto vale il calore latente di evaporazione ?

Quesito- Che differenza c’è tra gas e vapore ?

Quesito- Cos’è il diagramma psicrometrico e come lo si utilizza ?

Suggerimento - Tracciare uno schema del diagramma

Quesito- Cosa si intende per condensazione ?

Quesito- Come avviene la condensazione per miscelazione ?

Esercizio- Se nell’atmosfera il vapore è presente con una pressione parziale di e=9hPa,

qual’è l’umidità relativa corrispondente alle temperature di 18° e 25° sapendo che le corrispondenti pressioni di vapor saturo valgono es(18) =20.6hPa ed es(25) =31.7hPa

Soluzione - in base alla definizione di UR=100·e/esottengo:

UR(18) =9/20.6=43.6% UR(18) =9/31.7=28.4%

Esercizio- In una stanza di 5m·4m·3m porto la temperatura da 18◦a 25◦. Quanta acqua

devo evaporare affinché l’umidità relativa iniziale del 50% rimanga costante ?

Soluzione - utilizzando il diagramma psicrometrico, in corrispondenza della curva del 50 di umidità, alla temperatura di 18◦e di 25◦ottengo rispettivamente i valori di umi- dità assoluta di 6.5 e 10gvapore/kgaria−secca. Poiché la densità dell’aria a T ambiente è

c.ca 1.3kg/m3 _{(vedi esercizio precedente) si ricava la massa d’aria secca della stanza:}

ma = 1.3·5·4·3 = 77.4m3per cui la differenza del contenuto idrico dei due stati è:

mw=77.4· (10−6.5) =271g

Quesito- Cosa si intende per bulbo umido ?

3.4. ESERCIZI 69

Quesito- Perché la temperatura di -4°C è così importante ?

Quesito- Cos’è la meteorologia ?

Quesito- Cosa significa la parola ’sinottico’ ?

Quesito- Cosa si intende per ’isobara’ ?

Quesito- Cos’è un ’fronte’ ?

Quesito- Quali tipi di ’fronti’ conosci ?

Quesito- Come si presnta un fronte freddo ?

Quesito- Sapresti caratterizzare un fronte caldo ?

Quesito- Quali sono le principali tipologie di idrometeore ?

Quesito- A quanti mm di pioggia corrispondono 10cm di neve ?

Quesito- Come si può misurare l’entità e l’intensità di un evento piovoso ?

Quesito- Sapresti descrivere il ciclo dell’acqua ? Servirsi di un diagramma.

Quesito- Quali processi include il ciclo dell’acqua ? Elencarli.

Quesito- Cosa sono infiltrazione ed exfiltrazione ?

Quesito- Cosa si intende per drenaggio e percolazione ?

Quesito- Esprimere con una formula il bilancio idrico indicando il significato dei simboli

utilizzati.

Quesito- Che differenza esite tra ruscellamento e deflusso superficiale ?

Quesito- Cosa si intende per erosione ?

Quesito- Come ha inizio e si sviluppa il fenomeno erosivo ?

Quesito- Attraverso quali processi ha luogo il trasporto di inquinanti nel suolo ?

CAPITOLO 4